基于氢燃料电池零部件分析_杨斌.pdf

AUTO TIME 157 AUTO PARTS|汽车零部件基于氢燃料电池零部件分析杨斌华涧新能源科技（上海）有限公司 上海市 201703摘 要：当前科技领域关于氢燃料电池的研究较多，这是未来汽车理想的清洁能源之一。其核心零部件主要有五个，即质子交换膜、双极板、催化剂、空压机以及储氢罐。当前，我国关于该核心零部件的研究与发达国家相比还存在着一定差距。在未来，关于该电池核心零部件的研究，质子交换膜主要会集中在其生产制造技术方面，双极板会主要集中在复合材料方面，催化剂会集中在如何降低其铂载量方面，关于空压机的研究将会主要集中在离心式空压机的研究方面，储氢罐则主要集中在研究其材料、结构等方面。关键词：氢燃料电池零部件氢燃料电池又被称之为氢质子交换膜燃料电池，其工作原理主要是通过氢质子的交换实现电荷的移动，形成电流。在该电池中，氢燃料会在其阳极部位发生氧化，反应后生成的产物在移动到阴极部分时，会与该处存在的氧化剂再次发生反应。1在电池内部需要发生反应的部分，都会有催化剂存在，以保障氢电池内部发生的化学反应能够满足电力的供应需求。氢电池的几个核心零部件是保障其电池性能的重要零部件，同时，其生产技术直接关系到了电池的使用寿命、成本等。当前，关于氢燃料电池的研究及其生产制造技术，国内还远远落后于国外，许多关键的生产技术都掌握在国外生产企业的手中，我国的氢燃料电池生产还存在着很庞大的提升空间。1氢燃料电池核心零部件的生产、研究现状该电池的核心零部件有质子交换膜、双极板、催化剂、空压机、储氢罐。目前，世界各国关于氢燃料电池核心零部件的研究并未停止，大家都希望能够研究出更适合汽车使用的清洁能源。1.1质子交换膜其主要作用是确保质子可以顺利通过，而阻止还未发生电解反应的氢燃料、氧化剂、催化剂等通过。有了质子交换膜的存在，就可以保障氢燃料电池内部质子的运动方向，即确保了电流的流动方向。该交换膜是氢燃料电池最基本、最核心的一个零部件，与普通电池中的隔膜存在一定区别。关于燃料电池中质子交换膜的研究，最早可以追溯到 20 世纪 60 年代，当时，世界范围内最早研究出燃料电池中质子交换膜的公司就是美国杜邦公司。从该公司起，后续不断有同类型公司进行相关研究，并且有部分公司也成功生产出了全氟磺酸结构的质子交换膜。但直到现在，全球主要的质子交换膜依旧由杜邦公司所提供。在氢燃料电池中的组件中，对于质子交换膜这个零部件的要求非常高。当前，世界范围内的质子交换膜都属于全氟化聚合物，这种材料制作出来的质子交换膜可以满足氢燃料电池的使用需求，但是，氢燃料电池的主要成本也由该零部件决定。目前国内外都在积极研究减少该零部件制作成本的技术，但是进展甚微。我国的天津大学、大连化学物理研究所、武汉理工大学等大学院校或研究机构已经对该零部件的研究有了较长的时间，The Analysis of Hydrogen Fuel Cell ComponentsYang BinAbstract：There is a lot of research on hydrogen fuel cells in the field of science and technology,which is one of the ideal clean energy for future cars.Its core components mainly have five components,namely proton exchange membrane,bipolar plate,catalyst,air compressor and hydrogen storage tank.At present,there is still a certain gap between Chinas research on this core component and developed countries.In the future,the research on the core components of the battery,the proton exchange membrane will mainly focus on its manufacturing technology,the bipolar plate will mainly focus on composite materials,the catalyst will focus on how to reduce its platinum load,the research on the air compressor will mainly focus on the research of centrifugal air compressor,and the hydrogen storage tank will mainly focus on the study of its materials and structure.Key words：hydrogen fuel cells,components158 AUTO TIMEAUTO PARTS|汽车零部件他们是国内最领先的机构，但是目前国内的研究成果距离世界上其他发达国家的研究成果依旧存在一定的差距。在我国，该零部件的主要生产厂商是中科同力。1.2双极板该零部件又被称之为集流板，不仅仅在氢燃料电池中得到使用，在其他燃料电池中都是十分重要的零部件。双极板功能较多，可以将氢燃料电池中的燃料与氧化剂分开，同时还可以阻止气体的通过，还具备传导电流的功能。氢燃料电池在工作时会释放热量，而双极板还具备导热功能，可以保持电池内部温度的恒定。2双极板的原材料价格较为便宜，目前的研究主要集中在控制其导电性、厚度等方面，主要目的是减轻氢燃料电池的整体重量，同时确保其导电性，避免因为双极板太厚而影响电池功能。1.3催化剂催化剂的存在可以加速氢燃料电池内部的化学反应，使得氢离子的生成速度加快，其转移速度也会随之增加，从而保障电池的电量供应。电池的催化层是整个电池的核心，电池的电化学反应也在该部分完成，电池内部的电催化反应发生时，其反应速率不仅与催化剂的活性相关，还与其电解质溶液、电场的特性有着极大关联。到目前为止，世界各国使用的氢燃料电池中，如果是质子交换膜类型的，其催化剂均主要是铂或者铂碳颗粒。由于铂是贵金属，其原料的成本也较高，铂催化剂的成本及质子交换膜的成本，共同造成了当前氢燃料电池制造成本居高不下的原因。关于催化剂的研究，目前全世界主要将目光放在控制其添加量或者找到更为廉价的替代品方面。在我国，关于该电池催化剂的研究，仅仅只有中山大学、天津大学、大连化学物理研究所等有限的几所研究机构有一定建树。1.4空压机该 零 部 件 可 以 看 做 是 氢 燃 料 电 池 的“肺”，其主要功能就是为电池提供反应时所必须的氧气，而空压机往往是氢燃料电池制作过程中的瓶颈所在，许多氢燃料电池的技术就是受到空压机技术的限。3当前，在燃料电池中所使用的空压机包括三种类型，分别为离心式、罗茨式及双螺杆式。三种类型的空压机都有着各自的特点，哪种空压机更适合不同氢燃料电池的需求，需要通过大量的实验进行测试，最终确定一个最合适的空压机类型。离心式空压机离心式空压机的做功方式是通过叶轮的旋转，从而对其内部的气体做功。在叶轮与扩压器的流道内部，通过其离心升压及降速扩压的作用，将机械能转化为气体的内能。该类型空压机有着较多优点，如工作效率高、响应速度快等。但是，其工作效率较为狭窄，如果其在低流量高压比的环境下工作，很容易发生喘振现象，这种现象的发生会严重损害到该空压机的整体使用寿命。当使用该类型空压机进行工作时，通常有两种方案，不同方案对于该空压机内部的某些零部件要求不同。其中，一种工作方案是增速器+滚珠轴承，这种方案下的空心机，在工作时其电机的转速较低，并且该空心机的内部构造较为复杂，在使用时，需要添加一定量的润滑剂，由于润滑剂的使用，可能会对周围的环境造成污染，并且空压机的使用寿命也可能因此而缩短；另一种方案是动压空气悬浮轴承，这种方案的空压机对于其轴承的精度、耐磨性存在着较高的要求，因为该方案下，轴承的空气间隙较小，在空压机启动时，轴承会出现干摩擦的现象。罗茨式空压机该类型的空压机工作时，其转子间的容腔不会发生变化，它是通过外压缩的方式，将该机器内部的空气挤压到外部的小容腔内，该容腔由于空气的进入、挤压，其内部的空气密度、压力会不断升高。该空压机采用了转子及泵壳间容积压缩的方式，二者之间的间隙小于 1mm，所以一旦空压机发热，其泵壳很容易因为发热而膨胀，就会出现卡壳现象。卡壳现象的出现，会使得机器的磨损加快，甚至直接因为卡壳而损坏机器，所以该类型的空压机对于泵壳的机械强度有着较高的要求。转子的精度、耐磨性等要求并不高，其转子的生产成本较低。该空压机工作时会产生较大的噪音，在汽车上使用时，需要针对性地进行消音设计。双螺杆式空压机该类型的空压机以内压缩的方式运转，在其螺杆之间会形成压缩腔，从而使得两个螺杆之间的容腔逐渐减小，其内部的气体压力就会逐渐升高。该空压机对于外部的空气条件有着较高的要求，若空气中的微小颗粒较多，则会对螺杆造成磨损，从而导致空压机的密封性出现问题，影响其内部压力。4在技术方面，为了避免该问题，会将耐磨材料涂抹在在螺杆上。该空压机在工作时也会产生较大的噪音，所以也需要进行针对性消音设计。1.5储氢罐在现阶段，主要的储氢方式就是高压气态储氢，其充放氢的速度较快，并且其容器结构十分简单，因而被广泛采用。在一般情况下，储氢罐与储氢瓶不做区分，在行业内也将二者混合使用。按照制造材料的不同，储氢罐可以分为三种类型。一型罐一型罐是金属制作的储氢罐，一般采用如钢这样的性能较好的金属材料制作。虽然这种储氢罐的制造材料简单，成本较低，但是其耐压性并不强。早期的金属储氢罐，仅仅可以承受 12-15Mpa 压力的氢气，在该压力下，氢气的质量密度要小于1.6%。适当地增加一些储氢罐瓶壁的厚度，可以在一定限度内有效地提升该储氢罐的储氢能力，但是这种方式会导致储氢罐的容积降低。金属储氢罐一般通过高强度的无缝钢管旋压收口制作而成，如果在制作过程中提升了其材料的强度，那么很容易导致其内部细小裂纹的出现，会提高其内AUTO TIME 159 AUTO PARTS|汽车零部件部储存氢气失效的可能。并且，对于储氢罐内部情况进行实时监测时，往往会在其多层结构之间安装检测工具，但是该类型储氢罐的结构是单层，无法安装该工具，所以这类储氢罐往往用于小容量、固定式的氢气储存，于车载氢燃料电池而言，该储氢罐达不到要求。二型罐二型罐是金属内胆纤维环向缠绕或全缠绕气罐，这种储氢罐是随着人们对于储氢需求增加而逐步发展起来的。在该储氢罐的内部，有不锈钢或铝合金制造而成的金属内胆，其主要作用就是密封储存的氢气。除金属层之外，其主要承压的部分为纤维材料制造，可以保障其储氢压力达到40Mpa。金属内胆由于不需要承担氢气带来的内部压力，所以可以将该内胆制成较薄的状态，以减轻储氢罐整体的重量。由于该储氢罐内部存在着多层的结构设计，可以有效避免其金属层因为氢气的原因而受到腐蚀，而在不同材料的层级之间，还存在较大的密闭空间，可以通过该密闭空间实现对于储氢罐内部状态的实时监控。该储氢罐材料成本并不昂贵，且储氢效果也较好，所以往往也会在大容量储氢时使用。三型罐该种类型的储氢罐是非金属类型的纤维全缠绕气罐。这种类型的储氢罐是为了使得罐体本身的重量进一步降低，而利用一些刚度较好的塑料代替金属。这类储氢罐一共有三层结构，分别为塑料内胆、纤维增强层、保护层。塑料内胆的气密性、抗腐蚀等能力较金属内胆强，并且其耐高温性能、韧性等也都较高。该储氢罐的总重量仅为同储量钢罐的 50%，在车载氢燃料电池中，该种类型的储氢罐处于优先级别，也是各生产厂商储氢罐的主要竞争类型。为了使得该储氢罐的重量或性能得到进一步的优化，人们也研究出了各种优化方式，有些优化方式可以有效减少其纤维材料用量的 40%。2氢燃料电池